你能想到嗎?也許月球一直在地球的“懷抱”中。

在一項(xiàng)研究中，研究人員分析了1996年至1998年期間在日地第一拉格朗日點(diǎn)3次收集的地球大氣散逸層數(shù)據(jù)，確認(rèn)了地冕(地球大氣的最外層)觀測(cè)結(jié)果：地球的大氣層一直延伸到約63萬(wàn)千米的高度，相當(dāng)于100個(gè)地球半徑。這就意味著，月球也被包裹在地球的大氣層中。

這一結(jié)論顛覆了以往人們對(duì)于地冕范圍的認(rèn)知：此前科學(xué)家估計(jì)地冕層約有9—10個(gè)地球半徑高，月球距地球大氣的最外層32—34萬(wàn)千米。

2020年以來(lái)，針對(duì)新一輪太陽(yáng)活動(dòng)峰年的到來(lái)，該研究團(tuán)隊(duì)還持續(xù)監(jiān)測(cè)了太陽(yáng)風(fēng)及其對(duì)地冕的沖擊作用。

“對(duì)大范圍地冕的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步拓展了人類對(duì)行星大氣構(gòu)成和存在的認(rèn)知，也拓展了對(duì)中心恒星與行星(如太陽(yáng)與地球)大氣相互作用的認(rèn)知。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員平勁松向科技日?qǐng)?bào)記者表示。

超乎想象 地冕高度可達(dá)100個(gè)地球半徑

地球表面包圍著的大氣被稱為大氣層，從內(nèi)到外分別為對(duì)流層、平流層、中間層、暖層和散逸層。作為散逸層的一部分，地冕位于地球大氣的最外層，一直延伸到行星際空間。

“該研究團(tuán)隊(duì)近年的空間觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，地冕層的高度最遠(yuǎn)可以延伸到100個(gè)地球半徑，連月亮也不能置身其外。”平勁松指出，這一研究結(jié)論的關(guān)鍵依據(jù)，是美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)和歐洲航天局(ESA)聯(lián)合研制的太陽(yáng)和日光層天文臺(tái)SOHO，搭載的太陽(yáng)風(fēng)各向異性探測(cè)器SWAN載荷記錄了太陽(yáng)風(fēng)和地冕氫氣的互動(dòng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在距離地表63萬(wàn)千米的高度，依然存在太陽(yáng)風(fēng)與地球等離子體的相互作用。

他介紹道，地冕層主要散射來(lái)自太陽(yáng)的遠(yuǎn)紫外線，自身還會(huì)發(fā)出微弱的紫外光線，但是同太陽(yáng)輻射相比，地冕層發(fā)出的輻射微乎其微。地冕層的形狀看起來(lái)有點(diǎn)像飛臨太陽(yáng)附近的彗星尾巴。

從構(gòu)成成分上看，地冕層與地球大氣其他層很不一樣。例如，地冕層是以氫、氦原子和離子為主要成分的低密度氣暈，而1000千米高度的地球大氣層，主要由氮、氧、二氧化碳和水等分子，以及離子組成。此外，在地球下部大氣和冕層之間，還存在等離子體層過(guò)渡帶。

“大范圍包裹地球的地冕，阻擋了吹向地球的太陽(yáng)風(fēng)，防止遠(yuǎn)紫外輻射直接到達(dá)地面，保護(hù)了地球這顆湛藍(lán)星球的水圈和生物圈。換而言之，這種帶有磁場(chǎng)的類地行星的冕，為保護(hù)行星表面可能存在的生命環(huán)境和生命自身提供了支持。”平勁松說(shuō)。

值得一提的是，對(duì)大范圍地冕的發(fā)現(xiàn)意義重大，更為行星科學(xué)增加了新的研究?jī)?nèi)容。“這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)向科學(xué)家提出了全新的有待探索的疑問(wèn)。例如，在行星從星子聚集坍縮成行星進(jìn)而演化的過(guò)程中，星冕從何時(shí)產(chǎn)生、如何穩(wěn)定存在?又如，類地行星的冕和氣體行星的冕，在成分、演化上有何異同?”平勁松說(shuō)。

與恒星冕迥異 地冕“壽命”僅幾十天

不僅地球有冕層，太陽(yáng)系中的金星、火星、水星和木星都有自己的行星冕。太陽(yáng)作為一顆恒星也有自己的恒星冕，即人們熟知的日冕。

行星冕與恒星冕的區(qū)別很大。平勁松解釋道，恒星，特別是如太陽(yáng)這樣年輕的恒星，在其最外層都存在一層比較厚的、很稀薄、密度極低的大氣分層，這就是恒星冕。恒星冕的厚度可達(dá)幾百萬(wàn)千米以上，溫度可達(dá)幾百萬(wàn)攝氏度或更高，能夠完全電離其中的氫、氦原子，形成等離子體。恒星冕中主要是質(zhì)子、高度電離的離子和高速的自由電子。這些帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度極快，以致不斷有帶電的粒子掙脫中心恒星的引力束縛射向外圍，形成恒星風(fēng)。恒星冕中的氣體源源不斷地產(chǎn)生于底部的光球?qū)?，維持了恒星冕自身的存在。

“而行星冕中的離子會(huì)與恒星風(fēng)質(zhì)子進(jìn)行電荷交換，導(dǎo)致其‘壽命’大約只有幾十天，這也使得行星冕的大小范圍受到限制。”平勁松強(qiáng)調(diào)。

由于上述區(qū)別，從天文觀測(cè)角度，行星冕更難于被觀察到，恒星冕的觀測(cè)則更加容易。平勁松稱，恒星冕不僅在光學(xué)波段有輻射，在射電波段也存在暴發(fā)輻射，因而可以在多個(gè)電磁波頻段被人類觀測(cè)到。不過(guò)，行星冕也并非神秘到不為世人所見，科學(xué)家們也曾利用多種探測(cè)器，一睹了行星冕的“芳容”。

“屏蔽”紫外波段 地冕加大天文觀測(cè)難度

地冕吸收了來(lái)自宇宙空間天體的紫外輻射，阻擋了科學(xué)家從地面或從行星空間利用電磁波的紫外、特別是中遠(yuǎn)紫外波段，去觀測(cè)宇宙星辰的機(jī)會(huì)。

于是科學(xué)家另辟蹊徑。“在這些波段，科學(xué)家只能借助飛行在地冕中高層或在其之外的紫外望遠(yuǎn)鏡，如設(shè)置在日地系統(tǒng)的拉格朗日平動(dòng)點(diǎn)，來(lái)規(guī)避地冕對(duì)紫外波段的吸收干擾，開展天文觀測(cè)。”平勁松表示。

在人類探測(cè)地外生命的歷程中，一項(xiàng)重要的任務(wù)就是尋找“第二個(gè)地球”。

通常在光學(xué)波段，天文學(xué)家是通過(guò)系外行星遮擋比其大的中心恒星的光度變化，來(lái)搜尋適宜人類居住的天體。平勁松介紹：“因?yàn)榈孛岬拇嬖冢茖W(xué)家會(huì)在系外行星遮擋中心恒星時(shí)，在紫外波段監(jiān)測(cè)與氫、氦原子密切關(guān)聯(lián)的特定波長(zhǎng)的紫外電磁波輻射吸收，來(lái)判定地冕的存在和尺寸，進(jìn)而推定系外行星被保護(hù)的狀況和其上存在生命的概率。”

除了紫外波段和光學(xué)波段，利用地冕以及類地行星冕能夠輻射數(shù)千米到數(shù)十米波長(zhǎng)的無(wú)線電電磁暴發(fā)信號(hào)特性，科學(xué)家可以借助非常靈敏的地面無(wú)線電裝置，通過(guò)搜尋、監(jiān)測(cè)系外行星在這個(gè)波段的電磁波輻射，來(lái)尋找更多的系外類地行星候選天體。

盡管地冕的存在給天文觀測(cè)造成了一定的阻礙，但幸運(yùn)的是，地冕為人類觀測(cè)其自身留下了一扇窗。

“它們會(huì)吸收太陽(yáng)遠(yuǎn)紫外波段氫和氦的電磁波輻射，受到輻射激發(fā)的氫、氦原子和離子會(huì)發(fā)出微弱的紫外輻射，從而可以被遠(yuǎn)離地球的探測(cè)器看見。”平勁松說(shuō)。

此次研究的地冕數(shù)據(jù)，就是來(lái)自于1995年發(fā)射升空的SOHO搭載的太陽(yáng)風(fēng)各向異性探測(cè)器SWAN。該探測(cè)器繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)并對(duì)太陽(yáng)展開研究。此外，它還能測(cè)量來(lái)自地冕的光線。令人驚訝的是，這批數(shù)據(jù)是SOHO于1996年至1998年間獲取。因而，這項(xiàng)最新研究發(fā)現(xiàn)被戲稱“遲到了二十年”。

我國(guó)嫦娥三號(hào)月球探測(cè)器于2013年底發(fā)射升空并成功降落至月球正面之后，也曾“看到”過(guò)地冕，并證實(shí)了介于電離層和磁層之間的地球“等離子體層”的存在。嫦娥三號(hào)攜帶了觀測(cè)地球外層大氣等離子體層的紫外望遠(yuǎn)鏡，監(jiān)測(cè)到了地冕隨著時(shí)間變化的“倩影”。(唐芳)